与实际相符的注射成型模拟

成型模拟与注射机之间的直接数据接口，将计算机模型与实际的加工连接起来，通过正在进行的生产，可以改善产品和模具的设计结果，其所带来的好处，已在利用一副套模生产汽车部件的一项案例研究中得到了证明。

利用今天的数字工具，甚至可以在配置模具之前就能为一个新的注射成型产品生成大量的数据信息。比如，可以通过模拟确定可能的浇口位置、检查型腔的填充行为、为注射成型过程设定边界条件以及优化模具的冷却。当模拟结果令人满意时，就可以开始制造模具，然后进行样品试制，优化机器设置，最后进入批量生产。在样品试制的过程中，通常需要对型腔进行再加工，以确保成型出的产品满足质量要求，这会显著提高项目成本，延长新产品的上市时间。

模拟中定义的许多工艺参数不能传到生产过程中，这可能是导致额外加工的一个原因。为什么会这样呢? 主要问题在于为使模拟过程产生的数值有用而进行了耗时的数值转换。此外，模拟技术人员对随模具提供的配置数据记录的质量或者模拟的质量几乎没有获得任何反馈。

为了突破这一数据障碍，ENGEL开发了一个数据接口，名为sim link（如图1所示），它为在制造模具前以一组初始的建议设置形式直接将模拟定义的参数设置传给注射机的控制单元提供了便利。相反，该接口还能够将实际的工艺数据从成型机传给模拟环境，目的是通过迭代过程来提高模拟质量。这样，模拟技术人员和生产技术人员就可以利用彼此的知识和成果相互学习。

图1 在模拟程序与ENGEL注射机之间的sim link 数据交换接口突破了数据障碍，简化了模拟专家与工艺技术人员之间的协作（图片来自Engel）

更真实的模拟=更大的收益

模拟的准确性在很大程度上取决于建模和材料数据的质量。模拟越逼真，结果就越好，模拟的收益就越大。因此，sim link接口的工作也和后处理器一样，可以为注射机导出初始设置，以及和预处理器一样，可以将生产数据导入模拟环境。总之，sim link的目的是通过模拟为一个注射成型的产品生成一组初始的建议设置，同时通过来自生产的反馈稳步提高模拟质量。为此，sim link设有3项功能：修改、导出和导入。

在修改功能中，将边界条件和模拟的工艺设置与为产品生产而预想的注射机进行比较，比如，将目标动力纳入到边界条件中，以及根据机器的限制条件检查模拟过程中的工艺设置，然后进行修改，以确保一个产品能够在选定的成型机上成型。

在导出功能中，为在注射机上验证新的模具而获取建议的初始设置，并将它直接传给Engel注射机的控制系统。因此，用于模拟的边界条件就可以按这样一种方式来转换：将它们写入拥有“控制器能正确解读设置值”的成型机的部件数据集中。工艺参数和数据文件自动与所选机器的极限值进行比较。通过这种方式，加工商可以使用经过模拟测试的设置更有效地启动生产。

导入功能正好相反：来自生产机器的实际参数值和信 被导回模拟程序。利用该反馈，模拟技术人员可以验证模拟的质量，比较压力曲线，建立专业知识。

当前版本的sim link使用两个模拟工具：Autodesk 的Moldflow和Simcon的Cadmould。该数据接口与采用CC200和CC300控制单元的ENGEL注射机相兼容，不需要额外的软件或硬件。

由sim link生成的建议设置能以各种方式传给注射机。数据传输可以通过公司 络（如 络驱动器或MES）或互联 进行。如果机器没有联 ，也可以用 U 盘来传输。敏感数据如 CAD 文件和整个模拟项目的信息保留在用户的本地系统中，使用sim link 不需要这些数据，只有必要的参数和设置才通过该接口传输。对用户而言，数据流量随时都是完全透明的。

进行测试

与Oerlikon HRSflow和北欧化工合作，ENGEL让sim link经受了广泛的实际测试。该公司将一副拥有3个型腔的套模和一个拥有8个伺服电动喷嘴的热流道系统投入生产中，套模成型的部件是车门内饰、置物盒和加强元件，它们全部由含7%矿物填料的聚丙烯制成，如图2所示。

图2 在套模上采用矿物填充PP成型车门内饰、置物盒和加强元件的试验证明了sim link的用户价值（图片来自iStock.com/Traimak_Ivan）

通过模拟，确定并优化了用于生产这些部件的设置。优化的重点是确保通过所有3个型腔的流体前锋保持恒定的速度，以及为热流道的伺服电动喷嘴确定最佳开启点。该套模拥有不同尺寸形状的型腔，所带来的最大挑战是，将热流道喷嘴的级联调整到流体前锋的位置。

用Autodesk Moldflow软件建立的模拟模型包括型腔、整个热流道、伺服电动针阀式喷嘴和机器射嘴，还包含螺杆前方的一些空间，如图3所示。模具冷却也包括在模拟中。

图3 拥有8个伺服电动针阀式喷嘴的热流道套模的Autodesk Moldflow模拟模型

首先，采用对应的注射曲线进行独立于机器的模拟，将注射速度定义为一个体现型腔填充水平的百分比体积流量，如图4所示，这样，在型腔内任一点的熔体前锋速度都与系统中的熔体压缩无关。

图4 首先，采用对应的注射曲线进行独立于机器的模拟，将注射速度定义为一个体现型腔填充水平的百分比体积流量

其目的是，在填充过程中保持恒定的流体前锋速度。根据填充过程中流体前锋的位置，定义各热流道喷嘴的开启点，并规定型腔中的流体前锋与来自喷嘴的流体前锋应在各自的浇口处相遇，这在独立于机器的初始模拟中很容易实现。各喷嘴的开启时间彼此完全独立，并与系统中的熔体压缩毫不相干。这表明通过选择独立于机器的模拟，即使是一个复杂的系统也可以非常快速地得到优化，并且在模拟中几乎没有迭代。

通过模拟优化工艺

在独立于机器的模拟中，使用sim link 为所选定的注射机确定并修改了所有的初始设置。为了根据具体的生产设备进一步优化工艺，可以通过再次模拟而获得机器相关的设置。

由于与机器相关的结果以及因此而获得的极为逼真的参数非常令人满意，因此可以生成用于样品试制的初始数据集并输出给生产设备的CC300控制单元。

根据从模拟中获得的参数值，在HRS FLEXflow 控制单元中手动输入针阀的开启设置。启动注射机时，随后再设置真正的切换点，以便与模拟保持一致。为生产出有质量要求的部件，不需要其他的优化步骤。

图5显示了填充过程中在针阀式喷嘴开启时进行的快速注射。模拟中需要注意的是，对于所有的针阀式喷嘴而言，要确保进入各型腔的流体前锋与将要打开的针阀式喷嘴中的流体前锋在浇口处相遇，以避免熔接痕。该描述显示了初始模拟数据与实际的短射之间有着非常高度的一致性。

图5 填充过程中，在针阀式喷嘴开启时进行的快速注射（箭头所示），模拟数据与实际的短射之间有着高度的一致性

图6 显示了在从速度控制的注射阶段向压力控制的保压阶段切换的时间点上进行的快速注射，模拟结果与实际情况再一次高度一致。

图6 在从注射阶段向保压阶段切换的时间点上进行的快速注射也反映了模拟结果与实际情况的高度一致

从实际反馈中学习

模拟的流体前锋速度与实际的注射参数非常吻合。比较图7中的注入压力曲线可以明显地看出，尽管使用了实际的工艺参数，但与成型过程中测得的曲线相比，模拟预测的峰值要低得多。仔细观察材料参数就会发现，没有测量粘度的压力依赖性。在通常使用的跨 WLF 模型中，压力依赖性用参数D3描述，这种情况下，D3=0。根据经验调整该参数，可以快速实现实测压力曲线与模拟压力曲线的更好吻合。

图7 比较注射压力曲线表明，尽管采用了实际的工艺设置，但模拟预测的峰值要比成型过程中实测的峰值低得多。然而，在初始成型试验中没有测量粘度的压力依赖性。为粘度的压力依赖性补充参数D3，产生的模拟结果就更接近于实际的成型试验

来自生产的反馈有助于模拟技术人员对生产中使用的材料有更好的感觉，以及提高相关工艺参数的质量，从而提高其他应用的模拟质量，比如，可以为以后的项目而预测出更准确的压力。

比较型腔压力曲线，还可以为诸如模拟数据库中存储的材料参数提供额外的信息。型腔压力的增加对成型部件的收缩和翘曲有很大影响，因此，可以通过模拟来尽可能准确地预测型腔压力的增加。

根据选定的注射机来修改模拟参数，使得使用更复杂的注射文件和实测的循环时间成为可能。来自生产的反馈有助于提高模拟质量，从而避免昂贵的模具返工。